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Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung Christoff Klinkicht | 7.7.2011 | HS Physik.

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Präsentation zum Thema: "Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung Christoff Klinkicht | 7.7.2011 | HS Physik."—  Präsentation transkript:

1 Konzepte von Fusionsreaktortypen, technischer Stand, Entsorgung Christoff Klinkicht | | HS Physik

2 Inhalt Tokamak (ITER) Zielsetzung Aufbau Fusionskraftwerk Stellarator (Wendelstein 7-X) Ziele Charakteristika Verlauf der Fusionsexperimente Abfall / Entsorgung Quellen / Diskussion

3 Zielsetzung ITER = International thermonuclear experimental reactor (Apronym: lat. Weg) nach Tokamak - Prinzip (russ.: Toroidale Kammer im Magnetfeld) Technische Machbarkeit + Gebrauchstauglichkeit der Energiegewinnung aus Kernfusion demonstrieren. Zehnfache Energieausbeute Einsatz von supraleitenden Magnetspulen Eigenständige Tritiumerbrütung Komplette Fernsteuerung Zukunftsweisend für Demonstrationsreaktor DEMO

4 Daten: Gesamtradius: 10,7 m Großer Plasmaradius: 6,2 m Plasmavolumen: 837 m 3 Masse des Plasmas: 0,5 g Magnetfeld: 5,3 T Maximaler Plasmastrom: 15 MA Heizleistung und Strombetrieb: 73 MW Fusionsleistung: 500 MW Mittlere Temp.: 100 Mil. °C Brenndauer jedes Pulses: > 400 s Kosten: 16 Mrd. ITER

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9 Vakuumbehälter

10 Doughnutförmiger doppelwandiger Behälter aus Edelstahl Luftdicht verschlossener Plasmabehälter, in dem Plasmastrom zirkuliert ohne Wände zu berühren Wasserkühlung notwendig 44 Anschlüsse zum Vakkumbehälter für Fernsteuerung, diagnostische Systeme und externe Heizung Erzeugung des Vakuums dauert 24-48h

11 Blanket

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13 Wendelstein 7-X Durchmesser der Anlage (über alles): 16 Meter Höhe (über alles): 5 Meter Gewicht: 725 Tonnen Großer Plasmaradius: 5,5 Meter Mittlerer kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter Plasmavolumen: 30 Kubikmeter Plasmagewicht: 0, ,03 Gramm Magnetfeld (Achse): 3 Tesla Heizleistung (erste Ausbaustufe): 15 Megawatt Pulsdauer: Dauerbetrieb für 30 Minuten mit Elektronenzyklotron-Heizung

14 Blanket 440 Blanket-Module an Innenwand des Vakuumgefäßes – 1 x 1,5 Meter, 4,6 Tonnen Abschirmung gegen hochenergetische Neutronen, die bei Kernfusion entstehen Abbremsen der Neutronen für: – Kühlmittelerwärmung – Tritiumerbrütung Erste Wand: Beryllium zweite Wand: Kupfer + Edelstahl Sehr Anspruchsvolles Bauteil, besonders Tritiumerbrütung

15 Magnete

16 10.000t von supraleitenden Magneten für Plasmaformung/-Eindämmung 18 toroidal, 6 poloidal, 1 zentral + Zusatzspulen Gekühlt bei 4K: starkes Magnetfeld (13T)

17 Toroidale Magnetspulen Plasmaeinschluss 11,8 T

18 Poloidale Magnetspulen Plasmaeinschluss + Plasmaformung + Plasmastabilität Feld induziert durch Magnete und Strom

19 Zentral-Magnet Großer Transformator, der Haupt-Plasma-Strom induziert Führt Feldlinien in Divertorregion Muss hohe Belastungsfähigkeit aufweisen

20 Stromheizung

21 Externe Heizung

22 Um Kernfusion einzuleiten muss Wasserstoff-Plasma auf 150 Millionen °C erhitzt werden Ohmsche Heizung Neutralteilchen-Einschuss Hochfrequente elektromagnetische Wellen für Ionen und Elektronenheizung (40- 55MHz bzw. 170 GHz).

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24 Divertor

25 Divertor ist Boden des Vakuumbehälters Ist Hauptinterface zwischen Plasma und den Materialoberflächen Divertor kontrolliert Heliumabtransport und sonstiger Verunreinigungen

26 Kryostat

27 Gesamter Vakuumbehälter in Kryostat (großer Kühlschrank) Physische Hülle und Wärmedämmung

28 Überwachungstechnik

29 Überwachung von Plasmaleistung durch 50 Diagnose-Systeme Manometer, Bolometer, Neutronen-Kameras, Verunreinigungsaufzeichner, Laser- Streuer

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31 Fusionskraftwerk Schnelle Heliumkerne geben Energie an Plasma ab Selbstheizung Entfernen der Heliumasche in Divertor Tritiumherstellung im Blanket Aufnahme der Neutronen Erwärmung des Blanket Kühlmittel Wärmetauscher Turbine + Generator Elektrische Energie

32 Stellarator: Wendelstein Plasma + Spulen

33 Ziele Kraftwerkstauglichkeit von Fusionsanlagen des Typs "Stellarator" Guter Teilcheneinschluss und Untersuchung des Plasmatransports unter kraftwerks-ähnlichen Bedingungen Anwendung effektiver nicht-ohmscher Heizmethoden zur Erzeugung und Aufheizung des Plasmas Untersuchung des Verunreinigungstransports und Entwicklung von Methoden zur Verunreinigungskontrolle Beta-Werte (*) von 4 bis 5 Prozent sowie Analysen zum Beta-Limit Langzeit- bzw. quasi-stationärer Betrieb Untersuchung von Plasmanachfüllung, Teilchenkontrolle und Plasma-Wand Wechselwirkung unter Dauerbetriebsbedingungen Entwicklung von Methoden zur Kontrolle der Bedingungen am Plasmarand (Divertor)

34 Wendelstein 7-AS

35 Wendelstein 7-X

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37 Durchmesser der Anlage (über alles): 16 Meter Höhe (über alles): 5 Meter Gewicht: 725 Tonnen Großer Plasmaradius: 5,5 Meter Mittlerer kleiner Plasmaradius: 0,53 Meter Plasmavolumen: 30 Kubikmeter Plasmagewicht: 0, ,03 Gramm Magnetfeld (Achse): 3 Tesla Heizleistung (erste Ausbaustufe): 15 Megawatt Pulsdauer: Dauerbetrieb für 30 Minuten mit Elektronenzyklotron-Heizung

38 Plasmagefäß Ultrahochvakuum: Millibar Hohe Beanspruchung durch Druck magnetischer Kräfte, die durch lokal induzierte Ströme hervorgerufen werden. Edelstahlgefäß Zahlreiche Öffnungen und Stutzen (>250)

39 Divertor Begrenzung des Plasmaschlauchs auf magnetische Weise Kein zusätzliches Magnetfeld nötig Energie + Teilchen laufen auf Ausläuferzonen zu Schutz durch Prallplatten Verunreinigungs- und Dichtekontrolle

40 Brennstoffnachfüllung Durch Divertor: Verlust von Brennstoff 3 Methoden zur Nachfüllung: – Gaseinblasen – Neutralteilcheninjektion – Pelletinjektion Veränderung des Dichteprofils des Plasmas

41 Plasmaentladungen Zunächst modulares Magnetfeld aufgebaut (Einschlusseigenschaft) Unterschied zu Tokamak: Plasma nicht durch Induktion erzeugt Unterschied zu Tokamak: Kein langsamer/kontrollierter Stromaufbau Anfangsphase der Entladung nur durch Dichteaufbau bestimmt Dauer der Heizung bestimmt Ende der Entladung Dauerbetrieb Der Film zeigt eine Plasmazündung in Wendelstein 7-AS

42 Verlauf der Fusionsexperimente

43 Abfall/ Entsorgung Ann.: 30 jähriger Betrieb Abfall: Divertor, erste Wand, Blanket Je nach Bauart: – t Abfall Entspricht bis zum doppelten eines Spaltreaktors (endgelagert, aufgearbeitet) Halbwertszeiten: Fusionsreaktor: 1-5aSpaltreaktor: a Biologische Gefährdungspotential (radiotoxische Inhalt) der Fusionsabfälle klingt rasch ab (tausendfach geringer) Von Gesamtmasse des Fusionsabfalls 30-40% freigebbar

44 Abfall/ Entsorgung Weitere 60% recyclebar -> weitere Kraftwerksnutzung Etwa 1% längerfristig lagern, bei etwa 50m Tiefe Theoretische Recyclingtechnik noch nicht verifiziert Geringe Nachwärme größere Packungsdichte He 3 /Bor würden Neutronenaktivierung und Tritiumeinsatz zusätzlich vermindern

45 Quellen

46 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

47 Der Aufbau von Wendelstein 7-X Die 50 nichtebenen Magnetspulen (blau) 20 ebenen Magnetspulen (grau) werden auf Supraleitungstemperatur abgekühlt. Für ihre Wärmeisolation sorgt ein Kryostat (grau). Dessen innere Wand ist das Plasmagefäß (grün). Stutzen (grün) zum Anschluss von Messgeräten, Heizung und Pumpen führen durch den kalten Spulenbereich.

48 Plasmaaufheizung Die Aufheizung des Plasmas geschieht im Dauerbetrieb über Mikrowellenstrahlen mit einer Frequenz von 140 Gigahertz und einer Leistung von zehn Megawatt. Die Mikrowellen werden in speziellen Senderöhren, sogenannten Gyrotrons, erzeugt, über Metallspiegel umgelenkt und in das Plasma fokussiert. Dort heizen sie bevorzugt jene Elektronen, welche im Magnetfeld gerade in Resonanz zur eingestrahlten Frequenz rotieren.

49 Plasmaaufheizung Die Ionen des Plasmas können zusätzlich mit Radiowellen einer Leistung von vier Megawatt aufgeheizt werden. Durch die Neutralteilchenheizung, die energiereiche Wasserstoffatome einer Leistung bis zu 20 Megawatt in das Plasma hineinschießt, können die Temperatur und die Dichte des Plasmas weiter erhöht werden.

50 Fusionskraftwerk

51 Review

52 Fusion: 2 Atomkerne -> 1 Atomkern Wirkungsweise der Sonne Reaktion: exotherm oder endotherm Kettenreaktion -> Stromgewinnung Coulombbarriere zwischen 2 pos. gel. Kernen überwinden Tunneleffekt: mehr wahrscheinlich Abstand: 10^-15: starke Wechselwirkung Deuterium Tritium Schnelle Neutronen, Wasserstoffbomben, Kernfusionsreaktoren Massendefekt: E=mc^2 Energie: kinetische Energie der Reaktionsprodukte und Strahlungsenergie Exotherm: Verschmelzung leichter Kerne (58Fe) He4 erzeugende Reaktionen besonders groß -> geeignet D+T -> He + n besonders leicht einzuleiten 1kg D-T- Gemisch = 100 Mil. Kwh oder 12,3 Mio kg SKE Bei Wg von 35% (KKW) = 35 GWh D: 45kg D-T / Tag

53 Review Stellar: natürlich ablaufende Kernfusion Wasserstofffusion Wirkt Gravitation entgegen -> Stabilisierung Sonne: 10. Mil. Grad Erde: 100 Mil. Grad (Gravitationsdruck) Wasserstoffisotope auf lange Sicht fast unerschöpflich Neutronenaktivierung: radioaktiver Abfall Materialien, die andere stabile Nuklide, oder mit kuren HWZ

54 Kernfusionsrekator Bisher: Forschung, keine Stromerzeugung Vorteile: größerer Brennstoffvorrat, höherer Anlagensicherheit, weniger langlebiger radioaktiver Abfälle Neutronenstrahlung, Bewegungsenergie des entstandenen Produktterms Fusion: el. Abstoßung überwinden Ohne äußere En., ohne äußere Energiezufuhr Energiezufuhr für anfängliches Aufheizen notwendig Plasmaherstellung: Durch Energiezufuhr erhitzt Bei ausreichend hoher Temp.: Zündung von selbst Gew. En.: Aufrechterhaltung der T Rest: Aufheizung Kühlmittel (H2O,He)

55 Brennstoffe Geringste Abstoßung: nur eine Elementarladung -> Isotope H2 Hoher Energiegewinn, ausreichender Wirkungsquerschnitt Fusionsbrennstoff für zivil und militär Andere Brennstoffe: Vorteile gegnüber DT, hinsichtlich Radioaktivität und leichter Nutzbarmachung der gew. Reaktionsen. Aber: kleiner Energiegewinn, höhere Plasmatemp., mangelnde Verfügbarkeit Bisherige Versuchsanlagen reines D, da ähnliche Untersuchung D: keine Erbrüten, nicht radioaktiv, Abstoßung zw. Reaktionspartner nicht größer als bei DT. Nachteil: Energie, Wirkungsquerschnitt -> Einschlusszeit erhöht Folge DD:

56 Technische Hürden der D-T - Fusionsreaktoren Tritium erbrüten aus Lithium. Reaktor dabei von Brutmantel (Branket) umgeben Tritium radioaktiv: Allerdings nur Betastrahlung mit geringer Maximalenergie ohne Gammastr. Nutzenergie: sehr schnelle Neutronen. Neutronenflussdichte und hohe En. Der Neutronen stellen ganz spezielle Anforderungen an Materialien der Anlage. Metallische Werkstoffe nicht nur wie bei KKW durch Versprödung, sondern durch Schwellung geschädigt ((n,p) und (n, alpha) – Kernreaktionen, die im Metallgefüge Gas, Wasserstoff bzw. Helium erzeugen). Mantel: austenitischer Chrom-Nickel-Edelstahl Zukunft unbrauchbar: Nickel -> Cobalt 60 Zukunft: nickelfrei, ferritisch-martensitisch Stähle, Vanadiumbasis, keramische Siliziumcarbid

57 Tokamak Plasma in Torus von Magnetfeldspulen eingeschlossen Andrei Sacharow und Igor Jewgenjewitsch Tamm/Kurtschatow- Institut Moskau Tokamak= Toroidiale Kammer in Magnetspulen Stromfluss in Torus wesentliche Eigenschaft KONZEPT: Ring von Magnetfeldspulen umgeben, deren toroidales Magnetfeld das im Torus rotierende Plasma eingeschlossen hält Problem: Magnetohydrodynamik: rotierende Teilchen im inneren Bereich des Torus mit äußeren Teilchen Verwirbelungen bilden. -> Teilchen zusätzlich Drehung innerhalb des Torus-Querschnitts durchführen, die magnetischen Feldlinien also spiralförmig verlaufen. Verdrillung der B-Feldlinien erreicht, indem Plasma selbst ein elektrischen Strom induziert Plasma leitfähig-> Sekundärwicklung eines Trafo Primärspule: zentrale Poloidal-Feldspule im Torus Zentrum + koaxial mit Torus gelegene Ringspule Induzierte Strom erzeugt im Plasma poloidales Feld, so dass sicher der gewünschte spiralförmige Feldverlauf ergibt.

58 Tokamak Da Primärstrom des Trafo nicht ständig steigerbar (Trafohub begrenzt), muss dieser von Zeit zu Zeit abgeschaltet werden. ->Plasmaeinschlussverlust-> Fusion setzt aus-> neue Zündung->Puls Für wirtschaftliche Nutzung müssen Magnetfeldspulen aus Supraleitern bestehen, damit Energieverbrauch gering.

59 Aufheizen des Plasmas Teil für Aufrechterhaltung (Kettenreaktion) Für jeden neuen Puls muss jedoch das Plasma zunächst auf andere Weise über 10keV aufgeheizt werden. Ohmsche Heizung: Glühbirne Mil. °C Neutralteilcheninjektion: Ionisierung, D + T = Brennstoffnachfüllung Magnetische Kompression: Magnetfelderhöhung, Plasma in Zone höherer mag. Feldstärke, zusätzlicher Vorteil: Erzeilung Dichte Mikrowellenheizung: Hochfrequente el.mag. Wellen (f, P) durch Oszillatoren außerhalb des Torus.

60 Stellarator Ebenfalls torusförmig Name: Stella=Stern Einschließende Magnetfeld ausschließlich durch Spulen 2 Vorteile gegenüber Tokamak: kein toroidaler Strom-> Dauerstrich-betrieb. Kein Gesamtstrom-> bestimmte Klasse von Instabilitäten (Disruptionen) vermieden Einschluss allein durch Spulen, Trafo nicht nötig Stellarator nicht kontinuierlich axialsymmetrisch, sondern Gebilde ohne kontinuierliche Symmetrie Stellarator besteht aus mehreren identischen Abschnitten, den Feldperioden, 5 Wendelstein 7-X, 10 bei LHD, und besitzt eine diskrete Symmetrie: nur bei Rotation um den Winkel 2Pi/P in toroidaler Richtung, wobei P = Anzahl der Feldperioden, geht Konfiguration in sich selbst über. Als zweite Symm. Kann sogenannte Stellaratorsymmetrie vorliegen: Geht in sich selbst über, wenn spezielle Achse um Pi gedreht wird. Diskrete Symmetrie führt zu spezifischen Effekten, die bei kontinuierlichen axialsymmetrischen Konfiguration nicht auftreten. So: Anders als Tokamak: magnetische Feldlinien nicht mehr überall auf ineinader verschachtelten Flächen verlaufen, sondern sich stellenweise chaotisch verhalten. -> möglichst kleine Gebiete

61 Klassifizierung KLASSISCH: Spulensystem aus 2l l e N geschlossenen helixförmigen Leitern, in denen der Strom in jeweils benachbarten Leitern in entgegengesetzte Richtung fließt. Umgeben von weiteren Spulen, die toroidales Magnetfeld erzeugen. -> zwei ineinander verschränkte Spulensysteme HELIOTRON, TORSATRON: Strom in l geschlossenen helixförmigen Leitern immer in gleiche Richtung. -> kein toroidales Sys., aber Vertikalspulen zur Kompensation des durch die helikalen Spulen erzeugten vertikalen Feldes. Im Gegensatz zu klassisch: beide Spulensys. Nicht ineinader verschränkt. HELIAC: Diese Konfiguration besteht aus einem System toroidaler Feldspulen, deren Mittelpunkt einer helikalen Linie folgt, entlang der ein weiterer Leiter liegt. Vertikalfeldspulen werden zum Kompensieren des vertikalen Feldes benötigt OPTIMAL: Besonders komplizierte Geometrie, num. Computerberechnung. -> Stab. Des Plasmas gegenüber Störungen, guter Einschluss von Teilchen Zuerst Plasmaform berechnet, dann modulare Spulensys., das B-Feld erzeugt.

62 Modulares Spulensystem Ein großes Maß an Gestaltungsfreiheit für das Spulensystem, und damit für das Magnetfeld, gewinnt man durch die Verwendung von modularen Spulen, d. h. Spulen, die poloidal geschlossen, aber nicht eben sind. Mittels dieses Konzeptes können nahezu beliebige Stromverteilungen auf einer vorgegebenen Fläche erzeugt werden. Modulare Spulensysteme sind besonders wichtig für optimierte Stellaratoren. Auch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Konstruierbarkeit sind modulare Spulensysteme häufig einem nichtmodularen Spulensystem überlegen.


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